阪大,結晶成長過程をコロイドで再現

大阪大学の研究グループは,コロイド粒子を原子に見立てたモデル実験を行ない,特定の条件において固体の表面でコロイド粒子が原子のように振る舞いながら核生成・核成長することを確認した。また,コロイド粒子が結晶を形成する様子と,実際の材料での結晶の形成に類似点があることが分かった(ニュースリリース)。

原子や分子が規則的に並んだ結晶は,複数の原子が衝突して核を形成し,周囲の原子を取り込みながら核が成長する。このプロセスは,たんぱく質などにも見られる一般的な現象であり,そのメカニズムを理解することは新規材料の開発だけでなく,たんぱく質の結晶形成が関与する疾病の理解にも貢献する可能性がある。

しかし,核生成・核成長の様子を観察するために,しだいに固体表面に堆積していく個々の原子の運動を長時間にわたって追跡することは容易ではない。そこで,研究ではコロイドを用いて原子が堆積して結晶を形成する過程を再現する実験を行なった。

実験には直径1ミクロン程度の微小なガラスの粒子(コロイド粒子)を水溶液中に分散させたコロイドを用いた。このコロイドではコロイド粒子がブラウン運動をしながらゆっくりと沈殿し,底面に堆積していく。

原子や分子では,原子間(分子間)の距離が小さくなると,お互いに引き寄せようとする力が働く。ところが,実験で使用したコロイドでは,そのままではコロイド粒子同士が引き寄せることはない。そこで,粒子同士が引き寄せあうように工夫をして実験を行なった。

すると,特定の条件においてコロイド粒子が実際の原子のように核生成・核成長する様子が観察された。これは,固体表面での結晶形成過程を,核生成という極めて初期の段階から観察することに成功したといえるという。さらに,形成された結晶の大きさが時間経過によってどのように変化するかを調べたところ,実際の材料の結晶形成過程と類似点があることが分かった。

実験では観察が難しい個々の原子の運動を観察できること,コンピューターシミュレーションでも扱うことが容易ではない長時間にわたる結晶成長の様子を観察できることが,コロイドを使った再現実験の特長だとする。

この研究の成果はコロイドを使うことで結晶成長過程を初期段階から観察・解析することが可能になることを示しており,この手法を用いて結晶が成長するメカニズムが十分に理解されれば,質の高い結晶成長による新材料の開発や結晶成長が関連する疾病の診断などへの貢献が期待されるとしている。

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